木樁上浮現象的分析及處理方法探討

穆方方

（1.上海市水利工程設計研究院有限公司，上海市 200061；2.上海灘涂海岸工程技術研究中心，上海市 200061）

0 引 言

隨著生態文明整治力度的不斷加大，在水利工程整治中更加注重體現生態性。上海地區位于華東濱海平原，水網縱橫，加之城市化程度高，群眾對生態環境改善、生態體驗需求強烈，在水利工程整治中也更加注重生態護岸的應用[1]。特別是近年來開展的生態清潔小流域綜合整治，使河道整治趨于小型化。

木樁護岸生態性強、施工便利，已廣泛應用于上海地區中小河道整治中。木樁屬擠壓樁范疇。本文根據上海地區某中小河道的木樁護岸結構在施工過程中因擠土效應而出現的不同程度上浮、樁端傾斜現象，通過分析木樁上浮效應機理，提出了防止木樁上浮的控制方法，以期為類似木樁護岸設計、施工及采取防治措施提供參考。

1 工程概況

1.1 項目簡介

F 河道位于上海市中西部地區，為城郊中小河道。為改善區域水環境、提升水質，對該河道進行整治。根據設計方案，河道總長約1.1 km，設計河口寬度20 m，河底寬度6 m，河底高程0.5 m，河頂高程4.5 m，駁岸采用密排木樁護岸結構。

1.2 地質情況

該工程位于湖沼平原Ⅰ1 區與濱海平原區交界處，根據勘探孔地層情況判定場地地貌類型屬濱海平原。岸坡范圍自上而下主要地層為：①層素填土，土質松散不均，以黏性土為主，含碎磚、石子等建筑垃圾；②層粉質黏土，松散- 稍密，含云母，夾有機質、黏性土，韌性及干強度低，搖振反應慢，土質欠均勻；③層淤泥質粉質黏土，流塑，含云母及有機質，韌性及干強度中等，稍有光澤，層頂夾粉性土較多，土質欠均勻，分布較厚；⑤層黏土，軟塑，含有機質，韌性及干強度高，有光澤，偶夾泥鈣質結核，局部為粉質黏土，土質尚均勻。

土層主要物理力學性質參數見表1。

表1 土層主要物理力學性質參數表

1.3 主要護岸結構及木樁規格

該工程采用密排圓木樁結構，樁基采用φ160 mm圓木樁密排，樁長6 m，樁后鋪設250 g/m2土工布一層以確保整個結構的反濾效果。樁頂高程3.0 m 至堤頂高程4.5 m 采用1∶2.0 草皮護坡，其上覆蓋草皮綠化間種灌木叢，岸頂陸域控制范圍為6.0 m，坡肩設欄桿，布置堤頂綠化。樁前設寬0.7 m 種植平臺，平臺頂高程2.0 m，2.0 m 高程至河底高程0.50 m 采用邊坡坡度1∶2.0 自然土坡。

護岸斷面型式見圖1。

圖1 護岸斷面結構圖（單位：mm）

根據地質分布，該斷面密排木樁均位于③1-1灰色淤泥質粉質黏土土層。

1.4 施工工藝及現場上浮情況

該工程樁基長度較短，稍徑直徑較小，周邊進場道路狹窄，為方便施工，采用小型柴油樁錘順序施打。根據施工單位現場介紹，木樁施打完畢后部分木樁出現不同程度的上浮情況。距初步統計，施打后6 h部分木樁最大上浮約15 cm，施打后12 h 木樁再次上浮2～5 cm，施打24 h 后木樁上浮基本停止。

施工單位選定5 處監測點來監測木樁上浮情況。木樁上浮情況統計表見表2。

表2 木樁上浮情況統計表

2 木樁上浮原因分析

本地區為軟土地基，該工程為木樁擋土的生態型護岸，木樁僅做側向擋土，無上部其他荷載作用。考慮木樁密度小于水的密度，貫入土體后的木樁主要依靠樁身側向摩阻來抵抗木樁所受向上的浮力。因木樁屬擠壓樁，當木樁稍徑較小、有效貫入長度不足時，樁身側向摩阻力較小，樁頂無阻力荷載，一旦所受上抬壓力大于樁身側向摩阻力，則發生樁體上浮現象。

研究沉樁對周邊土體擠土效應的常用方法為圓孔擴張理論（CEM）[2]。該理論基于如下假設：首先，土體為土質均勻、各方向土層性質相同的理想彈塑性介質；其次，基礎土體為不可壓縮飽和狀態土體；再次，基礎土體應滿足Mohr-Coulomb 屈服強度準則；最后，當沉樁深入引起樁孔擴張時，土體有效應力各向相同。沉樁深入引起土體內壓p 增大，進而造成樁周區域土體由彈性向塑性轉變，范圍隨之擴張。

對于樁柱形孔擴張的平面應變軸對稱問題，在極坐標下，其平衡微分方程為：

式中：σr為徑向應力；σθ為切向應力；r 為計算半徑。

塑性邊界滿足Mohr-Coulomb 屈服強度準則：

邊界條件為：

式中：Cμ為內聚力；Rμ為彈性邊界半徑；pμ為彈性邊界壓強。

根據土體總體積不變的假定，可由上述微分方程求出σθ、σr。

采用亨克爾孔壓方程，可求出沉樁瞬間造成的超靜孔隙水應力Δμ：

式中：β 為有效應力系數；α 為剪應力系數；σ0為有效應力；τ0為剪應力。

擠土樁在沉樁過程中會使樁四周的土體結構受到擠壓擾動，改變原土體的應力平衡狀態而產生擠土效應，即由于樁身自身的體積“占用”了土體原有的空間，使樁周土向四周擠壓開來。根據土層深度不同，擠土效應發生在淺層土體時，常常表現為周邊土體豎向隆起；擠土效應發生在深層土體時，常常表現為周邊土體橫向擠壓變形[3]。

此外，木樁周邊及樁端所在土層的含水率對木樁位移影響較大。若樁周邊土層為非飽和土層時，土體受到擠壓從而使周邊土體體積收縮，該體積收縮量能快速有效消散擠壓應力；若樁周邊土層為飽和軟土時，樁基深入造成周邊土體受壓，而周邊土體不收縮或收縮量有限，則該擠壓應力主要通過土體位移來實現消減，最明顯的表現為周邊樁身傾斜及相鄰淺樁上浮[4]。

該工程場地樁基所在土層普遍有較厚淤泥，密排木樁為順序施工，木樁入土時引起淤泥和淤泥質土中的孔隙水壓力過大，形成超靜孔隙水壓力。由于淤泥質土層透水性弱，該超靜孔隙水壓力消散緩慢，遂對鄰樁造成上抬壓力。

3 改進措施

結合上述木樁上浮原因分析，考慮河道工程場地受限及有利現場施工等因素，本工程通過優化設計和改進施工工藝，有效改善了該工程其他河段的木樁上浮情況。

3.1 設計方面

3.1.1 降低超靜孔隙水壓力

在沉樁前一段時間設置塑料排水板或袋裝砂井；在沉樁結束后一段時間繼續保持排水板等排水功能，以達到消除或降低超靜孔隙水壓力，同時加快土體固結的效果[5]。建議在密排木樁后方1～1.5 m 范圍內，間隔2 m 距離插入1 根與木樁等長度的排水板，確有必要時可配合進行井點降水。

3.1.2 采用圍檁綁扎

在木樁臨土側樁頂以下約0.5 m 范圍設置圍檁，圍檁長度約5 m；圍檁與密排木樁逐根綁扎，以便增加密排木樁整體性，均衡分擔豎向力，從而有效降低木樁整體上抬幅度。

3.2 施工方面

3.2.1 跳樁施打

常規密排木樁擋土護岸，為了保持木樁岸線順直和施工便利，往往采用順序施打工藝。在木樁順序施打過程中，常見臨近木樁發生前后擠壓移位現象，且該位移隨著施打深入逐漸加大。考慮到擠壓應力消散需空間和時間，本工程建議施工單位采用跳樁施打工藝，具體為間隔2 根樁施打1 根，如此往復直至木樁密排實施完成。

3.2.2 控制沉樁速度

控制沉樁速度是為了防止孔隙水壓力瞬間高漲，因為擠壓應力消散需要時間周期。根據相關研究[6]，當樁徑向距離小于1.5 m 時，沉樁速度大的超靜孔隙水壓力比沉樁速度慢的大。沉樁過程中，施工單位不得為提高施工進度人為加大沉樁錘擊力度。應保證木樁平穩、適度沉入，現場做好沉樁錘擊記錄，確保單根木樁錘擊數為合理范圍。常規河道擋土木樁長度較短，結合類似工程經驗及參照《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）對預制樁沉樁的要求，本工程確定木樁沉樁速度不得大于1 m/min。

3.2.3 預壓堆載

所在河段密排木樁施打完畢后，可及時采用袋裝土在木樁頂端預壓堆載，與樁側摩阻力共同抵消樁底向上的豎向力。現無有效簡便公式來簡化計算由擠土效應引起的豎向力，需根據試驗確定。本工程結合工程經驗，由地勘報告中提供的樁端所在土層樁端端阻力來近似替代擠土效應下木樁向上的豎向合力。

樁頂預壓荷載建議不小于木樁樁端阻力的1.0倍。本工程木樁端頭直徑20 cm，稍徑15 cm，每延米范圍內約5 根木樁，則稍徑面積合計約0.088 m2。結合地勘報告中持力層樁端阻力特征值fp為75 kPa，估算出每延米樁頂預壓荷載約6.6 kN。采用該方法，可在一定程度上改善沉樁緩慢上浮情況。

3.2.4 重復施打

待木樁頂預壓堆載不少于24 h 后，根據現場復核測量結果，對部分木樁上浮超過設計要求的進行重復施打，直至樁頂高程滿足設計要求。不得采用人為鋸樁、減短木樁長度的方式來滿足樁頂高程要求。

根據施工單位反饋及現場查看，在相鄰河道岸段，經方案優化后，按照上述改進措施施打24 h 后，樁頂最大位移小于15 mm，木樁上浮控制效果較理想。

4 結 語

上海地區為河口沖積平原，屬軟土地基，近些年水利工程采用的生態密排木樁擋土結構，因樁長普遍較短，加之該地區淤泥土分布較厚，木樁施打存在一定的上浮、傾斜情況。

通過分析因木樁擠土效應和超靜孔隙水壓力造成的木樁上浮原因，本文從設計、施工兩方面提出了改進措施。在設計方面，提出了采用排水板和圍檁綁扎這2 種措施；在施工方面，提出了跳樁施打、控制沉樁速度、預壓堆載、重復施打等措施。根據現場實際情況，這些措施在解決木樁上浮問題上效果顯著，可為類似水利工程提供參考。